Sirkuit Elektrokardiogram (EKG): 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Catatan: Ini bukan perangkat medis. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan sinyal simulasi. Jika menggunakan sirkuit ini untuk pengukuran EKG nyata, harap pastikan sirkuit dan koneksi sirkuit-ke-instrumen menggunakan teknik isolasi yang tepat.

Kami adalah dua mahasiswa di Teknik Biomedis dan setelah mengambil kelas sirkuit pertama kami, kami cukup bersemangat dan memutuskan untuk menggunakan dasar-dasar yang kami pelajari untuk melakukan sesuatu yang berguna: menampilkan EKG dan membaca detak jantung. Ini akan menjadi sirkuit paling kompleks yang pernah kami bangun!

Beberapa latar belakang pada EKG:

Banyak perangkat listrik yang digunakan untuk mengukur dan merekam aktivitas biologis dalam tubuh manusia. Salah satu perangkat tersebut adalah elektrokardiogram, yang mengukur sinyal listrik yang dihasilkan oleh jantung. Sinyal-sinyal ini memberikan informasi objektif tentang struktur dan fungsi jantung. EKG pertama kali dikembangkan pada tahun 1887 dan memberi dokter cara baru untuk mendiagnosis komplikasi jantung. EKG dapat mendeteksi irama jantung, detak jantung, serangan jantung, suplai darah dan oksigen yang tidak memadai ke jantung, dan kelainan struktural. Dengan menggunakan desain rangkaian sederhana, dapat dibuat EKG yang dapat memonitor semua hal tersebut.

Langkah 1: Bahan

Membangun sirkuit

Bahan dasar yang dibutuhkan untuk membangun sirkuit ditunjukkan pada gambar. Mereka termasuk:

• Papan tempat memotong roti

• Penguat operasional

  • Semua op amp yang digunakan dalam rangkaian ini adalah LM741.
  • Untuk info lebih lanjut, lihat lembar data:
• Resistor
• Kapasitor
• kabel

• Elektroda tempel

  Ini hanya diperlukan jika Anda memutuskan untuk mencoba sirkuit pada orang sungguhan

Perangkat lunak yang digunakan meliputi:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab atau PSpice untuk simulasi memeriksa nilai

• Unggul

  Ini sangat disarankan jika Anda perlu mengubah karakteristik sirkuit Anda. Anda mungkin juga perlu bermain dengan angka sampai Anda menemukan nilai resistor dan kapasitor yang tersedia. Perhitungan pena-dan-kertas tidak disarankan untuk yang satu ini! Kami telah melampirkan perhitungan spreadsheet kami untuk memberikan ide

Menguji sirkuit

Anda juga akan membutuhkan beberapa peralatan elektronik yang lebih besar:

• Catu daya DC
• Papan DAQ untuk menghubungkan sirkuit ke LabVIEW
• Fungsi generator untuk menguji sirkuit
• Osiloskop untuk menguji sirkuit

Langkah 2: Penguat Instrumentasi

Mengapa kita membutuhkannya:

Kami akan membangun penguat instrumentasi untuk memperkuat amplitudo kecil yang diukur dari tubuh. Menggunakan dua amplifier di tahap pertama kami akan memungkinkan kami untuk membatalkan kebisingan yang dibuat oleh tubuh (yang akan sama di kedua elektroda). Kami akan menggunakan dua tahap dengan perolehan yang hampir sama -- ini melindungi pengguna jika sistem terhubung ke seseorang dengan mencegah semua perolehan terjadi di satu tempat. Karena amplitudo normal sinyal EKG adalah antara 0,1 dan 5 mV, kita ingin penguatan penguat instrumentasi menjadi sekitar 100. Toleransi yang dapat diterima pada penguatan adalah 10%.

Cara membangunnya:

Menggunakan spesifikasi ini dan persamaan yang terlihat pada tabel (gambar terlampir), kami menemukan nilai resistor kami menjadi R1= 1,8 kiloOhm, R2=8,2 kiloOhm, R3 = 1,5 kiloOhm, dan R4 = 15 kiloOhm. K1 adalah perolehan tahap pertama (OA1 dan OA2), dan K2 adalah perolehan tahap kedua (OA3). Kapasitor bypass kapasitansi yang sama digunakan pada catu daya penguat operasional untuk menghilangkan kebisingan.

Cara mengujinya:

Setiap sinyal yang diumpankan ke penguat instrumentasi harus diperkuat 100. Menggunakan dB=20log(Vout/Vin) ini berarti rasio 40 dB. Anda dapat mensimulasikan ini di PSpice atau CircuitLab, atau menguji perangkat fisik, atau keduanya!

Gambar osiloskop terlampir menunjukkan penguatan 1000. Untuk EKG nyata, ini terlalu tinggi!

Langkah 3: Filter Takik

Mengapa kita membutuhkannya:

Kami akan menggunakan filter takik untuk menghilangkan kebisingan 60 Hz yang ada di semua catu daya di Amerika Serikat.

Cara membangunnya:

Kami akan menetapkan faktor kualitas Q menjadi 8, yang akan memberikan keluaran penyaringan yang dapat diterima sambil menjaga nilai komponen dalam kisaran yang layak. Kami juga mengatur nilai kapasitor menjadi 0,1 F sehingga perhitungan hanya mempengaruhi resistor. Nilai resistor yang dihitung dan digunakan dapat dilihat pada tabel (dalam gambar) atau di bawah ini

• Q = w/B

  atur Q ke 8 (atau pilih sendiri berdasarkan kebutuhan Anda sendiri)

• w = 2*pi*f

  gunakan f = 60 Hz

• C

  setel ke 0,1 uF (atau pilih nilai Anda sendiri dari kapasitor yang tersedia)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Menghitung. Nilai kami adalah 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Menghitung. Nilai kami adalah 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Menghitung. Nilai kami adalah 1,65 kohm

Cara mengujinya:

Filter takik harus melewati semua frekuensi tidak berubah kecuali yang sekitar 60 Hz. Hal ini dapat diperiksa dengan menyapu AC. Filter dengan penguatan -20 dB pada 60 Hz dianggap baik. Anda dapat mensimulasikan ini di PSpice atau CircuitLab, atau menguji perangkat fisik, atau keduanya!

Filter takik semacam ini dapat menghasilkan takik yang baik dalam simulasi sapuan AC, tetapi pengujian fisik menunjukkan bahwa nilai asli kami menghasilkan takik pada frekuensi yang lebih rendah daripada yang dimaksudkan. Untuk memperbaikinya, kami menaikkan R2 sekitar 25 kohm.

Gambar osiloskop menunjukkan filter sangat mengurangi besarnya sinyal input pada 60 Hz. Grafik menunjukkan sapuan AC untuk filter takik berkualitas tinggi.

Langkah 4: Filter lolos rendah

Mengapa kita membutuhkannya:

Tahap terakhir dari perangkat ini adalah filter low-pass aktif. Sinyal EKG terbuat dari banyak bentuk gelombang yang berbeda, yang masing-masing memiliki frekuensinya sendiri. Kami ingin menangkap semua ini, tanpa noise frekuensi tinggi. Frekuensi cutoff standar untuk monitor EKG 150 Hz dipilih. (Cutoff yang lebih tinggi terkadang dipilih untuk memantau masalah jantung tertentu, tetapi untuk proyek kami, kami akan menggunakan cutoff normal.)

Jika Anda ingin membuat rangkaian yang lebih sederhana, Anda juga dapat menggunakan filter low-pass pasif. Ini tidak akan termasuk op amp, dan hanya akan terdiri dari resistor secara seri dengan kapasitor. Tegangan keluaran akan diukur melintasi kapasitor.

Cara membangunnya:

Kami akan mendesainnya sebagai filter Butterworth orde kedua, yang memiliki koefisien a dan b masing-masing sama dengan 1,414214 dan 1. Mengatur penguatan ke 1 membuat penguat operasional menjadi pengikut tegangan. Persamaan dan nilai yang dipilih ditunjukkan pada tabel (dalam gambar) dan di bawah ini.

• w=2*pi*f

  atur f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Menghitung. Nilai kami adalah 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Menghitung. Nilai kami adalah 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Menghitung. Nilai kami adalah 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Menghitung. Nilai kami adalah 26,634 kohm

Cara mengujinya:

Filter harus melewati frekuensi di bawah cutoff tidak berubah. Ini dapat diuji menggunakan sapuan AC. Anda dapat mensimulasikan ini di PSpice atau CircuitLab, atau menguji perangkat fisik, atau keduanya!

Gambar osiloskop menunjukkan respon filter pada 100 Hz, 150 Hz, dan 155 Hz. Sirkuit fisik kami memiliki cutoff lebih dekat ke 155 Hz, ditunjukkan oleh rasio -3 dB.

Langkah 5: Filter lolos tinggi

Mengapa kita membutuhkannya:

Filter high-pass digunakan agar frekuensi di bawah nilai cut-off tertentu tidak direkam, memungkinkan sinyal bersih untuk dilewatkan. Frekuensi cut-off dipilih menjadi 0,5 Hz (nilai standar untuk monitor EKG).

Cara membangunnya:

Nilai resistor dan kapasitor yang diperlukan untuk mencapai ini terlihat di bawah. Resistansi aktual yang kami gunakan adalah 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • atur f = 0,5 Hz, dan C = 1 uF
  • Hitung R. Nilai kita adalah 318.310 kohm

Cara mengujinya:

Filter harus melewati frekuensi di atas cutoff tidak berubah. Ini dapat diuji menggunakan sapuan AC. Anda dapat mensimulasikan ini di PSpice atau CircuitLab, atau menguji perangkat fisik, atau keduanya!

Langkah 6: Menyiapkan LabVIEW

Diagram alir menjabarkan konsep desain bagian LabVIEW dari proyek yang merekam sinyal pada laju pengambilan sampel yang tinggi dan menampilkan detak jantung (BPM) dan EKG. Sirkuit LabView kami berisi komponen berikut: asisten DAQ, array indeks, operator aritmatika, deteksi puncak, indikator numerik, grafik bentuk gelombang, perubahan waktu, pengenal maks/menit, dan konstanta angka. Asisten DAQ diatur untuk mengambil sampel terus menerus pada kecepatan 1 kHz, dengan jumlah sampel berubah antara 3.000 dan 5.000 sampel untuk deteksi puncak dan tujuan kejelasan sinyal.

Arahkan mouse ke berbagai komponen dalam diagram sirkuit untuk membaca di mana di LabVIEW untuk menemukannya!

Langkah 7: Mengumpulkan Data

Sekarang sirkuit telah dirakit, data dapat dikumpulkan untuk melihat apakah itu berfungsi! Kirim EKG simulasi melalui sirkuit pada 1 Hz. Hasilnya harus berupa sinyal EKG yang bersih di mana kompleks QRS, gelombang P, dan gelombang T dapat terlihat dengan jelas. Detak jantung juga harus menampilkan 60 denyut per menit (bpm). Untuk menguji rangkaian dan pengaturan LabVIEW lebih lanjut, ubah frekuensi menjadi 1,5 Hz dan 0,5 Hz. Denyut jantung harus berubah menjadi 90 bpm dan 30 bpm masing-masing.

Agar detak jantung yang lebih lambat ditampilkan secara akurat, Anda mungkin perlu menyesuaikan pengaturan DAQ untuk menampilkan lebih banyak gelombang per grafik. Hal ini dapat dilakukan dengan menambah jumlah sampel.

Jika Anda memilih untuk menguji perangkat pada manusia, pastikan catu daya yang Anda gunakan untuk op amp membatasi arus pada 0,015 mA! Ada beberapa konfigurasi lead yang dapat diterima tetapi kami memilih untuk menempatkan elektroda positif di pergelangan kaki kiri, elektroda negatif di pergelangan tangan kanan, dan elektroda ground di pergelangan kaki kanan seperti yang terlihat pada gambar terlampir.

Menggunakan beberapa konsep sirkuit dasar dan pengetahuan kami tentang hati manusia, kami telah menunjukkan kepada Anda cara membuat perangkat yang menyenangkan dan berguna. Kami harap Anda menikmati tutorial kami!